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Identification of novel regulators of growth and wood formation by studying natural variation in Arabidopsis and Betula pendula, a novel model tree

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Il sequenziamento del DNA rivela la causa principale della grande varietà di betulle

Gli alberi hanno funzioni preziose, tra cui la cattura del carbonio, la fornitura di legno e il mantenimento degli ecosistemi. Il progetto BETWOOD, finanziato dall’UE, si proponeva di fare luce sulla loro adattabilità, esplorando il patrimonio genetico della betulla bianca.

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BETWOOD si è basato sui progressi compiuti nella tecnologia di sequenziamento di prossima generazione, al fine di mappare il genoma delle betulle appartenenti a popolazioni geograficamente distinte (in Europa centrale e settentrionale, nonché in Siberia e Asia). Il sequenziamento del genoma ha anche consentito al team di identificare geni candidati, tra cui il LAZY, che consentono la nascita di particolari forme arboree, fornendo spunti sui processi di adattamento. All’inizio di quest’anno, la rivista Nature Genetics ha presentato BETWOOD come parte integrante di un tentativo più ampio di sequenziamento del genoma della betulla bianca. “Ora possiamo identificare la base molecolare dei tratti arborei!” Da molto tempo i ricercatori erano a conoscenza della variazione delle betulle in una stessa foresta, nonché in diverse posizioni geografiche in tutto il mondo. BETWOOD è riuscito a sfruttare i nuovi metodi di sequenziamento del DNA per trovare la base molecolare di tale variazione. Spiegando la metodologia, la ricercatrice di BETWOOD, la dott.ssa Kaisa Nieminen afferma: “Il sequenziamento del DNA su larga scala è adesso davvero conveniente economicamente, con i prezzi che sono scesi sostanzialmente persino nel corso del progetto. La vera sfida è stata l’interpretazione dei risultati bioinformatici.” La risposta del progetto è stata quella di addestrare un intero team di bioinformatici per interpretare i nuovi dati genomici. Per l’analisi geografica della betulla bianca (Betula pendula), utilizzando le cosiddette oscillazioni selettive, il team è riuscito a concludere che l’adattamento locale aveva influenzato la tempistica di processi vegetali fondamentali. Il team ha osservato che la variazione genetica intorno ai geni strettamente collegati di risposta alla luce PHYC e FRS10, , era correlata alla latitudine e longitudine nonché alla temperatura. La stessa correlazione è stata trovata per la variazione del regolatore di risposta alla citochina ARR1, che promuove la crescita, e i geni di sviluppo del legno KAK e MED5A. Nell’analisi delle forme di crescita particolari, BETWOOD ha anche identificato una mutazione stop-in-frame nell’ortologo LAZY1 (geni evoluti da un gene ancestrale comune) del genere Arabidopsis. Il team sta attualmente lavorando per confermare se questa mutazione spiega la presenza del pioppo fenotipo “betulla piangente” in molti giardini d’Europa. Tali polimorfismi e mutazioni formeranno una solida base per ulteriori analisi genetiche delle caratteristiche arboree. Come spiega il responsabile del progetto sul genoma della betulla, il prof. Ykä Helariutta: “È stato alquanto inaspettato riuscire a identificare i geni candidati per determinati tratti, semplicemente compiendo il ri-sequenziamento della variante e confrontandolo con il genoma di riferimento. Un’analisi di questo tipo non era possibile cinque anni fa per nessuna specie tranne l’Arabidopsis. Adesso possiamo addirittura identificare la base molecolare di tre tratti!” Il lavoro continua ad allargarsi Le foreste rappresentano importanti pozzi di carbonio, fondamentali per affrontare il cambiamento climatico. L’anidride carbonica viene assorbita dagli alberi attraverso la fotosintesi, ma il carbonio rilasciato nell’atmosfera tramite l’effetto serra si deposita anche direttamente sui tronchi. Secondo la coordinatrice del progetto, la prof.ssa Katri Kärkkäinen, è importante capire la fisiologia di questo processo, perché “Il riscaldamento globale attraverso i suoi cambiamenti della composizione dell’atmosfera incide anche sulle condizioni di crescita degli alberi. Inoltre, dal momento che il legno è un’importante risorsa industriale, una migliore comprensione della sua genetica può agevolarne l’utilizzo più sostenibile e potrebbe svelare modi di utilizzo completamenti nuovi.” Ora che BETWOOD ha contribuito a istituire la betulla come nuovo modello genetico, il team intende continuare a sfruttare i suoi brevi tempi di generazione (di circa un anno, pochissimo per una specie arborea) al fine di esplorare ulteriormente le variazioni genetiche che risultano nella sua diversità geografica e fenotipica.

Parole chiave

BETWOOD, genoma, sequenziamento del DNA, betulla bianca, bioinformatica, Betula pendula, gene, adattamento, variazione, forme di crescita, mutazione, polimorfismi, Arabidopsis

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